機動車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗平臺的多功能物理量在線實時監(jiān)測

/ .上海交通大學(xué)；.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院

0 引言

機動車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是由轉(zhuǎn)向機、轉(zhuǎn)向節(jié)球、頭銷轉(zhuǎn)向節(jié)、方向盤、轉(zhuǎn)向機總成、助力器轉(zhuǎn)向拉桿、助力泵等部件構(gòu)成，是一種重要的汽車零配件。目前，國內(nèi)外對機動車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的檢測或監(jiān)測均沒有通用性設(shè)備，大多數(shù)機動車零部件企業(yè)都是根據(jù)整車廠的技術(shù)要求以及本企業(yè)的生產(chǎn)參數(shù)，設(shè)計出各自的功能檢測要求，并研制檢測或監(jiān)測設(shè)備。針對這些設(shè)備在線監(jiān)測需要較強的通用性和便攜性要求，本研究提出一種多功能物理量在線實時監(jiān)測系統(tǒng)，用于實現(xiàn)對機動車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)疲勞測試平臺的實時在線監(jiān)控，從而達到系統(tǒng)閉環(huán)控制和在線故障診斷的目的。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

機動車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的多功能物理量在線實時監(jiān)測系統(tǒng)（下簡稱監(jiān)測系統(tǒng)）的組建方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組建方案

被測對象是機動車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合性測試平臺。傳感器是監(jiān)測系統(tǒng)的感知元件，包括疲勞型力傳感器、扭矩傳感器、溫度傳感器、角度傳感器等，通過彈性體的應(yīng)變實現(xiàn)綜合測量。信號調(diào)理是通過A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。數(shù)據(jù)采集板卡包括全橋應(yīng)變量采集卡、溫度采集卡和增量式正交編碼采集板卡等，實現(xiàn)應(yīng)變信號。數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)包括數(shù)據(jù)采集功能，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)、濾波、復(fù)合計算、曲線擬合及再現(xiàn)等；系統(tǒng)校準功能，實現(xiàn)對傳感器非線性修正，零值修正等；報表功能，實現(xiàn)自動生成報表、保存及導(dǎo)入功能。虛擬儀器面板采用人機友好界面，實現(xiàn)交互操作。

監(jiān)測系統(tǒng)由硬件和軟件兩個部分組成，采用模塊化板卡集成方式，拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 硬件部分

硬件部分的拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集控制器選用PXIe 8135，是基于PIXe總線協(xié)議的四核高性能控制器，在windows操作系統(tǒng)下結(jié)合Measurement Studio和labview可完成軟件編程，實現(xiàn)上位顯示和數(shù)據(jù)處理等功能?？刂茩C箱選用PXIe 1082，為各功能模塊與控制器之間提供數(shù)據(jù)橋梁作用，可兼容PXI混合總線。

考慮監(jiān)測過程中需要連接大量的力、扭矩等傳感器，選用采集應(yīng)變信號的采集卡PXIe 4331，其模塊為基于電橋型應(yīng)變式傳感器（如力傳感器、扭矩傳感器等）提供集成化數(shù)據(jù)采集和信號調(diào)理。

溫度采集中，選用PXIe 4353熱電偶輸入模塊，可為溫度測量提供集成化數(shù)據(jù)采集和信號調(diào)理。該模塊包括0.3 ℃的典型高精度和同步功能，并有用于偏移補償?shù)?路自動調(diào)零通道。PXIe 4357模塊可為電阻溫度探測器（RTD）提供集成化數(shù)據(jù)采集和信號調(diào)理，在高速模式下提供最高每通道100 S/s的采樣率，在高分辨力模式下提供最高每通道1 S/s的采樣率和0.09 ℃的典型測量準確度。

角度采集中，采用角度編碼器方式，選用以STM32F103RC為核心CPU的角度采集板卡，通過編碼器信號轉(zhuǎn)接盒實現(xiàn)正交式增量編碼器的信號接入。再對編碼器A、B相信號進行調(diào)理，實現(xiàn)角度、角速度及角加速度的測量功能。

圖2 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

圖3 硬件部分拓撲結(jié)構(gòu)

圖4 軟件流程圖

3 軟件部分

監(jiān)測系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。

3.1 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)機動車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的不同監(jiān)測需求，可選擇對應(yīng)的檢測項目、采集板卡和通道等，具有配置使用參數(shù)、選擇相應(yīng)傳感器、設(shè)置采樣頻率等功能，如圖5所示。

在同一界面下，顯示多參數(shù)波形曲線，對曲線最大最小值進行實時采樣，圖形可根據(jù)需要放大、縮小，效果如圖6。

根據(jù)檢測要求，可對相關(guān)物理量進行復(fù)合計算、積分、求導(dǎo)等。

針對不同傳感器，可對每一個傳感器進行參數(shù)標(biāo)定，標(biāo)定后的數(shù)據(jù)可保存、導(dǎo)出和導(dǎo)入。對于傳感器參數(shù)存在非線性的問題，可使用多點標(biāo)定的方法，將傳感器系數(shù)修正至最佳使用狀態(tài)，界面如圖7。

圖5 軟件界面圖

圖6 波形采集效果圖

圖7 標(biāo)定界面

3.2 監(jiān)測策略

主要分為以下四個方面。

1）監(jiān)測周期。根據(jù)機動車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)測試平臺的功能和目前行業(yè)發(fā)展速度，可以得知每個測試平臺都具有扭矩、轉(zhuǎn)速、角度、軸向力等傳感器，而且這些傳感器的使用頻率非常之高，年平均使用次數(shù)都在100次以上，因此把在線監(jiān)測的頻率定為每一季度做一次10%的抽樣監(jiān)測，且每個類別的傳感器至少抽取一個；每半年做一次包含平臺上所有傳感器和控制器的全面監(jiān)測。

2）監(jiān)測設(shè)備。本研究開發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)可以覆蓋平臺中所有傳感器試驗參數(shù)的采集要求和準確度要求。另選用一套電流電壓儀表以及特斯拉計對設(shè)備的用電安全問題和電磁信號干擾問題進行一次檢測即可。

3）監(jiān)測方式。根據(jù)測試平臺的機械結(jié)構(gòu)和測試流程，結(jié)合用于在線監(jiān)測設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性，選擇合適的監(jiān)測方法。加工相應(yīng)的工裝構(gòu)件，用于安裝在線監(jiān)測的傳感器，以采集到有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)。而根據(jù)機動車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中模擬人工操控5～8 s的加載周期來看，基本上選取5 000 Hz的采樣頻率就可以采集到所有的峰值數(shù)據(jù)。

4）監(jiān)測判據(jù)。將采集到的數(shù)據(jù)取平均值，算出相對示值誤差和示值重復(fù)性。對扭矩和試驗力要求控制示值誤差達到±1%以內(nèi)，重復(fù)性≤1%，角度示值誤差±1°，據(jù)此判斷其是否符合測試要求。若不符合需要則尋找原因，并通過校準和檢修使平臺的各個性能重新能夠滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各個測試要求。

4 系統(tǒng)不確定度

監(jiān)測系統(tǒng)主要涉及扭矩、軸向力等參數(shù)測量，系統(tǒng)的不確定度評定也將圍繞著上述幾個主要參數(shù)展開。

4.1 扭矩

監(jiān)測系統(tǒng)的標(biāo)準設(shè)備為標(biāo)準扭矩測量儀一組三臺，如表1所示。根據(jù)被測系統(tǒng)傳感器的量程范圍和級別選取合適的標(biāo)準測量儀。

表1 標(biāo)準器及主要參數(shù)

首先選定加載方向。將被測系統(tǒng)傳感器的接頭同軸連接到標(biāo)準測量儀的承扭孔內(nèi)，分別調(diào)整測量儀和測量傳感器的零位，然后緩慢地施加扭矩至額定扭矩值后卸除扭矩，檢查被測對象的回零情況，并重新調(diào)整至零位，此過程重復(fù)三次。然后根據(jù)選定的加載方向，平穩(wěn)緩慢地加載扭矩值到達選定的校準點，待測量儀示值穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)。每一個校準點重復(fù)三次，計算三次數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，被測對象的標(biāo)稱值與相應(yīng)算術(shù)平均值的差值，即為該校準點的示值誤差。如需反向測量，重復(fù)上述過程。分析得到的相對擴展不確定度如表2所示。

表2 不確定度

由于兩個測量范圍存在重合區(qū)域，根據(jù)實際測試的傳感器選取合適的不確定度。

4.2 軸向力

多功能物理量實時在線監(jiān)測系統(tǒng)的軸向力傳感器的準確度等級主要是0.5級和1.0級兩種。在測量過程中，將傳感器和標(biāo)準測力儀疊加在一起，通過游標(biāo)卡尺和百分表等工具確保它們的主軸保持在同一直線上，然后通過材料試驗機或者靜重試驗機等設(shè)備，根據(jù)20%、40%、60%、80%、100%的量程范圍對兩者進行加載。待加載保持穩(wěn)定之后，讀取傳感器顯示裝置上的讀數(shù)和標(biāo)準測力儀上的讀數(shù)并進行比較。然后按上述同樣步驟反復(fù)測量，進行重復(fù)性試驗。

表3 標(biāo)準器及主要參數(shù)

分析得到的相對擴展不確定度如表4所示。

表4 不確定度

5 應(yīng)用

本監(jiān)測系統(tǒng)已應(yīng)用在某公司的M1578機動車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)水平式拉扭試驗平臺上。該試驗平臺上總共有3個軸向力傳感器，2個扭矩傳感器，2個角度傳感器和2個位移傳感器。將監(jiān)測系統(tǒng)的T4WA型和RTN型傳感器串接在機臺上，選取5 kHz采樣速度，使機臺緩慢加載至要求的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集點，然后進行數(shù)據(jù)采集和處理。表5給出了一個軸向力傳感器的標(biāo)定結(jié)果。

表5 軸向力傳感器的標(biāo)定數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

機動車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要測量力、位移、扭矩、角度等多個物理量。傳統(tǒng)的檢測方法要對每個物理量進行單獨檢測，這對于集多功能多參數(shù)于一身的綜合性測試平臺來說，存在檢測設(shè)備的匹配協(xié)調(diào)難、數(shù)據(jù)信號傳輸整合難、多系統(tǒng)冗余等問題。多參數(shù)物理量在線實時監(jiān)測系統(tǒng)的研制，為上述問題的解決提供了一種新的思路和方法。

[1]杭洋.電容型高壓電氣設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用[D].北京：華北電力大學(xué)，2010.

[2]漆志軍.遠程終端故障檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].吉林大學(xué)，2004.